에기연, ‘탄소중립 에너지 도시’ 인공지능으로 구현

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 신재생시스템연구실과 에너지 ICT 연구단 공동연구팀이 인공지능으로 ‘도시 전기화(Urban Electrification)’를 실현할 핵심 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

도시 전기화는 건물 일체형 태양광 기술 등을 도입해 도심 에너지원을 화석연료에서 재생에너지로 전환하는 것을 목표로 한다.

미국과 유럽 등지에서는 탄소중립 실현과 지속가능한 도시환경 조성을 위한 핵심 전략으로 이 개념이 적극적으로 추진되고 있다.

연구팀 구성원들이 에너지 관리 시스템을 모니터링 하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

다만 전통적 도시 모델은 전력 수요에 따라 화석연료로 에너지 공급량을 손쉽게 조절할 수 있는 반면 전기화가 진행된 도시는 재생에너지 의존도가 높아 날씨에 따라 에너지 공급량의 변동성이 커지는 한계를 가진다. 이는 건물별 전력 수요의 불일치를 야기해 전력망의 안정적 운영을 어렵게 한다.

가령 급격한 한파 또는 극심한 폭염 등 기후변화에 의한 극단적 ‘저확률 고영향 이벤트(Low-Probability High-Impact Event)’는 에너지 수요를 급격히 늘리는 동시에 에너지 생산 제한을 유발해 대규모 정전 등 도시 전력망 안정성을 위협할 수 있다.

저확률 고영향 이벤트는 ‘극단적’이라는 표현을 쓸 만큼 발생 가능성이 낮지만, 예측이 어려운 데다 일단 현실화되면 경제·사회적 피해 규모를 가늠하기조차 어렵다는 점에서 경계의 대상이 된다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 인공지능 분석 결과가 적용된 에너지 관리 알고리즘을 개발하고, 이를 시스템으로 구현했다.

먼저 인공지능을 이용해 건물별 에너지 사용량과 재생에너지 생산량 패턴을 분석했다. 이어 날씨, 사람의 행동 패턴과 재생에너지 설비 규모, 운영 상황 등 복잡한 변수가 전력망에 미치는 영향을 파악했다.

이 과정에서 공동연구팀은 연간 단 1.7일(0.5% 수준)에 불과한 저확률 고영향 이벤트가 전체 전력망의 안정성과 운영비용에 결정적인 영향을 줄 수 있다는 것을 확인했다.

분석된 내용은 알고리즘과 시스템으로도 구축됐다. 개발된 알고리즘은 건물 간 에너지 공유를 최적화하고, 피크 수요와 피크 발전을 효과적으로 관리하는 역할을 한다.

특히 일상적 에너지 균형 유지 뿐 아니라 저확률 고영향 이벤트에 대응해 극단적 상황에서도 전력망을 안정적으로 운용할 수 있게 한다.

공동연구팀은 도시 전기화 환경을 재현한 커뮤니티 단위에 자체 개발한 시스템을 적용했을 때, 자급자족률(건물 자체 발전으로 전력수요를 충족할 수 있는 정도) 38%, 자가 소비율(건물이 생산한 잉여 전력을 직접 사용하는 비율) 58%를 달성할 수 있는 것도 확인했다.

이는 시스템이 적용되지 않은 건물의 자급자족률(20%)과 자가 소비율(30%)과 비교해 큰 폭으로 개선된 수치며, 개선 효과로 전기요금도 기존보다 18% 절감할 수 있게 된다.

무엇보다 실증에 적용된 연간 에너지 소비량은 107MWh로, 해외 선진 기관의 시뮬레이션 기반 연구보다 7배 많은 것으로 확인돼 관련 시스템을 도시환경에 실제 적용할 수 있는 가능성이 상대적으로 높았다고 공동연구팀은 강조했다.

한광우 에너지 ICT 연구단 박사는 “이번 연구 결과는 인공지능으로 도시 전기화의 효율을 높이고, 전력망 안정성을 확보할 수 있게 한다는 점에서 의미를 갖는다”며 “공동연구팀은 개발한 시스템을 향후 다양한 도시환경에 적용해 에너지 효율을 높이고, 전력망의 안정성을 개선함으로써 탄소중립 실현에 기여할 수 있도록 하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업으로 수행됐다. 연구 결과는 건물 분야의 국제 저명 학술지 'Sustainable Cities and Society' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr